2024: В России существенно улучшили технологию производства нанотрубок для сенсорных экранов и солнечных батарей
Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) разработали инновационный метод химической обработки пленок из углеродных нанотрубок, который значительно усовершенствует технологию их изготовления для применения в сенсорных экранах, солнечных батареях и других устройствах. Об этом сообщили в пресс-службе института 31 мая 2024 года.
Экспериментальные исследования продемонстрировали, что обработка нанотрубок небольшим количеством газообразного диоксида азота, известного как «лисий хвост», при высоких температурах приводит к их модификации, улучшая прозрачность и электропроводность. Ученые подчеркнули, что полученный эффект является долговременным.
Как отметил профессор Альберт Насибулин, возглавлявший исследовательскую группу, легирование нанотрубок примесями играет ключевую роль в достижении требуемых характеристик. Разработанный метод позволил получить материал, сочетающий в себе высокую проводимость, прозрачность и стабильность эффекта.
 | Мы обнаружили оптимальный вариант — газообразный диоксид азота, который за свой ярко-оранжевый цвет получил название «лисий хвост», — поделился старший преподаватель Дмитрий Красников, один из авторов исследования. |  |
Он добавил, что процесс легирования диоксидом азота отличается быстротой, масштабируемостью и отсутствием отходов. Ученый подчеркнул, что его легко интегрировать в уже существующие технологические процессы синтеза.Метавселенная ВДНХ 
Насибулин отметил, что прозрачные электроды, изготовленные из пленок углеродных нанотрубок, допированных диоксидом азота, имеют широкий спектр потенциальных применений. Они могут использоваться в фотовольтаике, сенсорных дисплеях, интерактивных поверхностях в интерьерах жилых помещений, автомобилей и общественных пространств. Кроме того, благодаря биосовместимости, такие электроды могут найти применение в имплантируемых устройствах.
Как сообщили в пресс-службе института, исследование было поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в авторитетном научном журнале Carbon.[1]
2022: Ученые нашли способ изменять электронные свойства углеродных нанотрубок и подстраивать их для применения в электронных приборах
10 февраля 2022 года представители МФТИ сообщили, что совместно с учеными Сколтеха нашли способ изменять электронные свойства углеродных нанотрубок и подстраивать их для применения в электронных приборах. Работа опубликована в журнале Carbon.
Как сообщалось, углеродные наноматериалы представляют широкий класс соединений: графен, фуллерены, нанотрубки, нановолокна и другие. Физические свойства многих из них уже вошли в учебники, но ученые продолжают создавать структуры и находить для них практическое применение. Одна из таких макроструктур — пленки, составленные из углеродных нанотрубок, которые ориентированы в случайном порядке. Внешне пленки чем-то похожи на тончайшие паутинки: их длина и ширина могут достигать нескольких десятков сантиметров, а толщина — в миллионы раз меньше, несколько нанометров.
Пленки из углеродных нанотрубок обладают сочетанием физических и химических свойств. Они механически стабильны, гибки и растяжимы, отличаются надлежащей адгезией к различным подложкам, химической инертностью и исключительными электрическими и оптическими свойствами.
Имея надлежащую проводимость, пленки обладают преимуществами перед пленками из металлов: легкостью и гибкостью. Их можно применять в различных электроустройствах: экранах, модуляторах, антеннах, болометрах и т. д.
Чтобы наиболее эффективно использовать на практике электрические и электродинамические свойства пленок, необходимо изучить, какие физические принципы такие свойства определяют. Наибольший интерес представляют терагерцовый и дальний инфракрасный диапазоны (длина волны излучения — от 2 мм до 500 нм), в которых пленки проявляют свойства, характерные для металлических проводников.
Ученые из МФТИ и Сколтеха исследовали проводимость пленок в терагерцовом и инфракрасном диапазонах частот. Для работы авторы брали пленки, синтезированные методом осаждения из газовой фазы. Часть пленок была приготовлена из нанотрубок различной длины, которая варьировалась от 0,3 до 13 мкм. Другая группа пленок подвергалась воздействию кислородной плазмой в течение 100–400 секунд. Такое воздействие меняло электродинамические свойства пленок.
Ранее авторы в своей работе доказали, что проводимость пленок хорошо описывается моделью проводимости, справедливой для металлов. В таких пленках энергия свободных электронов оказывается достаточной для преодоления потенциальных барьеров между отдельными соприкасающимися нанотрубками. Такие электроны почти «свободно» перемещаются по всей пленке, что и приводит к надлежащей проводимости.
Но при уменьшении длины трубок (до 0,3 мкм) или длительном воздействии на них плазмой (> 100 с) проводимость на терагерцовых частотах (< 0,3 ТГц) значительно уменьшается. Оказалось, что изменения проводимости пленок при воздействии на них плазмой или при уменьшении длины нанотрубок аналогичны. Это связано с тем, что облучение плазмой приводит к увеличению числа дефектов в нанотрубках, а следовательно, росту числа потенциальных барьеров на пути электронов. С уменьшением длины нанотрубок число потенциальных барьеров на единицу площади также увеличивается. Эти барьеры существенно влияют на проводимость нанотрубок (а, следовательно, и пленок) на постоянном токе и на достаточно низких частотах. Эффект объясняется тем, что при низких температурах кинетическая энергия электронов слишком мала, чтобы электроны могли преодолеть потенциальный барьер. На достаточно высоких частотах, как показано авторами, электроны перестают чувствовать присутствие барьеров и ведут себя как свободные. Так что в пленках, составленных из коротких трубок или из трубок, обработанных плазмой, на достаточно низких частотах и на постоянном токе будет наблюдаться возрастание температурного коэффициента сопротивления, который показывает, как меняется сопротивление с изменением температуры.
При длительности облучения более 100 секунд или при длине нанотрубок меньше 0,3 мкм температурный коэффициент сопротивления выходит на насыщение: при этих параметрах оригинальная структура пленки нарушается, а вместе с этим исчезают и оригинальные свойства.
Ученые МФТИ и Сколтеха планируют продолжить изучение модифицированных пленок, например растянутых в одном или нескольких направлениях.
| | Если нанотрубки подробно и давно изучались, то макрообъекты из этих трубок — пленки — стали исследоваться относительно недавно. По сравнению с металлическими пленками, они гораздо легче, химически и механически стабильны, что делает их привлекательными для применений в электронике. Зная фундаментальную физику, определяющую электрические свойства пленок, мы можем целенаправленно подстраивать эти свойства для конкретных практических применений. Особенно актуальны исследования на частотах терагерцового диапазона, которые будут рабочими в средствах телекоммуникации недалекого будущего. поведал Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ | |
| | Оказалось, что контролируемое разрушение этого материала путем обработки пленок микроволновой плазмой приводит к неожиданным свойствам. В частности, мы наблюдаем увеличение температурного коэффициента сопротивления в пленках из однослойных углеродных нанотрубок. Происходит это за счет того, что конкурирующие вклады в проводимость от металлических и полупроводниковых трубок перестают играть важную роль, а проводимость пленки главным образом определяется сформированными дефектами. Это представляет большой интерес для создания приборов следующего поколения, например высокоскоростных болометров, работающих при комнатной температуре. рассказал Альберт Насибулин, заведующий лабораторией наноматериалов Сколковского института науки и технологий | |
2019: Физики РАН и МФТИ определили тип квазичастиц в полупроводниковых углеродных нанотрубках
5 декабря 2019 года в МФТИ сообщили, что ученые из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН и МФТИ совместно с коллегами исследовали влияние «ловушек» на оптические свойства углеродных нанотрубок. При обработке соляной кислотой на поверхности трубок остаются отдельные атомы водорода. Они не образуют химических связей с поверхностью, и, значит, не вносят дефекты в структуру нанотрубки. Эти атомы служат «ловушками» — попавшая в их зону влияния квазичастица не может «сбежать» (становится локализованной). Основываясь на данных, полученных методами спектроскопии, физики пришли к выводу — в «ловушку» попались экситон (состоит из электрона и «дырки») и трион (экситон, к которому присоединились еще одна дырка или электрон). Результаты опубликованы в журнале Scientific reports.
Как отметили в МФТИ, углеродные нанотрубки — легкий и прочный материал, перспективный со многих точек зрения. Пленки из углеродных нанотрубок с полупроводниковой проводимостью в будущем способны заменить оксид индия-олова — твердый прозрачный материал, который уже 60 лет используется для создания прозрачных электродов. Без редкоземельного индия дисплеи и сенсорные экраны станут дешевле, и кроме того, их можно будет без вреда сгибать и сворачивать.
За переключение пикселей на гибком экране отвечают тонкопленочные транзисторы. Чем быстрее заряд способен двигаться в материале, тем быстрее реагируют транзисторы и тем оперативнее отклик экрана. Для описания процессов переноса зарядов в полупроводниках физики ввели понятие «квазичастица». Примером может служить «дырка» — оставшееся после отрыва электрона свободное место на орбитали атома. Квазичастица экситон (от латинского «возбуждаю») представляет собой пару «электрон — дырка», которая движется, будто частицы «привязаны» друг к другу. Если к экситону присоединяется еще одна частица, получается трион.
Чтобы исследовать квазичастицы, ученые добавляли в водную суспензию углеродных нанотрубок с полупроводниковой проводимостью соляную кислоту. Далее авторы исследовали спектры поглощения суспензий с разным количеством соляной кислоты. Чем выше была концентрация кислоты, тем больше формировалось «ловушек» — осевших на поверхности трубок атомов водорода —и тем больше в них попадалось экситонов и трионов.
Энергия нанотрубок может принимать только определенные значения. Уровни энергии похожи на полки шкафа — книгу можно поставить на вторую или десятую, но нельзя на 9¾. Физики получают спектр поглощения, воздействуя на вещество излучением: если энергия, которую фотон может передать частице при столкновении, совпадает с «расстоянием между полками», частица поглощает его и переходит на более высокий уровень. Меняя длину волны падающего излучения, можно определить, когда оно поглощается веществом сильнее, и определить расположение «полок».
Кроме того, ученые исследовали спектры фотолюминесценции. При этом методе частицы переходят в возбужденное состояние под влиянием излучения, а затем возвращаются в исходное, испуская фотон (следуя аналогии, мы заталкиваем книги на верхние полки, а потом регистрируем шум от их падения на нижние). Ученые отметили, что с увеличением числа осевших на трубке атомов водорода снижается количество экситонов. Зато появляется новый энергетический переход, обозначенный как Х-полоса. Этот переход заметен также и на спектрах поглощения. Исследователи предположили, что он соответствует попавшим в «ловушки» частицам.
Вышеописанные методы не позволяют отдельно рассматривать энергетические переходы, разделенные очень малыми промежутками времени (порядка 10-12 секунд), — они сливаются, и в итоге непонятно, какие именно частицы находятся в «ловушке». Поэтому далее спектры исследовали с помощью метода возбуждения-зондирования (pump-probe spectroscopy).
Обработка полученной этим методом информации позволила выделить энергетические уровни, формирующиеся через разное время после импульса. Первые два соответствовали образованию экситона, свободного и пойманного в протонную ловушку. Третий формировался через заметное время (примерно одну пикосекунду) после экситонных уровней, исходя из чего авторы связали его с образованием в «ловушке» квазичастицы, триона.
| | «Допированные одностенные углеродные нанотрубки продемонстрировали ранее свои уникальные свойства в качестве проводящих прозрачных электродов. В этой работе мы выявили в таких нанотрубках многочастичные оптические возбуждения и выяснили механизмы миграции энергии. Развитие этого направления открывает широкие перспективы для нелинейной оптики», отметил Тимофей Ерёмин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, один из авторов работы | |
Полученные данные способствуют более глубокому пониманию энергетической структуры углеродных нанотрубок с внесенными примесями, что важно не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения. В дальнейшем ученые планируют исследовать уровни энергии углеродных нанотрубок с различными типами «ловушек».
Работа выполнена коллективом ученых из МФТИ, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, МГУ, МИФИ, ФТИ им. Иоффе, а также университета Восточной Финляндии. Работа поддержана Российским научным фондом.
Смотрите также
